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【編者按】
再有半個月，2022年北京冬奧會即将召開。冬奧賽場不僅是體育健兒的競技場，也是中國科技創新的展示台。申冬奧成功以來，圍繞“科技冬奧”，一系列創新成果噴湧而出。科技為冬奧賦能，不僅将這場冰雪盛會裝點得更加精彩，也将為今後全民共享冬奧成果打下堅實基礎。
南方日報、南方+今起推出“冬奧黑科技”系列報道，介紹賽場内外的科技創新成果，敬請垂注。
氣溶膠是由懸浮于空氣中的液滴或固相顆粒組成的膠體系統，可被人直接吸入肺部。在境外病例輸入引發的疫情傳播中，通過環境傳播如氣溶膠和物體表面是非常重要的傳播途徑。研究也證明，2021年廣州荔灣疫情的暴發主要是通過氣溶膠引發的傳播。
在中國有效控制本土疫情的基礎上，有效防控境外輸入疫情非常重要。監測氣溶膠新冠病毒，是防控疫情環境傳播的重要一環。
2020年10月起，清華大學等多家機關的科研人員開展緊急攻關，用8個月時間研制出公共空間生物氣溶膠新型冠狀病毒監測系統，成功解決了氣溶膠檢測難題。該系統能夠對存在于空氣中的生物氣溶膠進行收集檢測，靈敏度可達正常方法的10倍。
在北京冬奧會測試賽期間，該系統已在首都體育館、國家速滑館等競賽場館進行氣溶膠采樣和檢測工作。通過測試賽的應用和驗證，該系統進行了相應的優化，更加符合冬奧會比賽場景的要求。在即将到來的冬奧會上，這一系統将提供全面氣溶膠新冠病毒檢測保障。
8個月應急攻關
為了解決氣溶膠檢測難題，2020年10月，在北京市委、市政府的部署和北京市科委的直接上司下，清華大學醫學院生物醫學工程系研究員劉鵬聯合昌平實驗室、北京大學等多家機關，開展應急攻關，8個月時間開發完成了公共空間生物氣溶膠新冠病毒核酸監測系統。
劉鵬介紹，用于公共空間的生物氣溶膠新型冠狀病毒監測系統分為兩部分：便攜式生物氣溶膠采樣器作為前端收集裝置，将在需要檢測的場所内工作，開展空氣樣本采樣；自動化全內建高靈敏病毒核酸檢測系統則設定在實驗室，分析采集到的樣本并生成檢測報告。系統可實作真正的“樣品入-結果出”式的高靈敏檢測。
前端的“氣溶膠采集器”，由北京大學教授要茂盛團隊研發，随後又經過多次改進更新，更加便攜易用。氣溶膠采樣器的中間是一個經過特殊設計的空腔，吸入的空氣會在其中形成旋風。儀器啟動後以每分鐘空氣采集量可達400-500升，30分鐘就可采集12立方米内的氣溶膠顆粒，并富集到病毒滅活液中。
據了解，這一采集器的病毒富集效率為國内同類産品最高。
而在檢測端，劉鵬和團隊經過大半年的攻關，“一體化高靈敏新冠病毒核酸檢測儀”應急開發完成。該系統采用微流控平台結合新型核酸提取與擴增技術，核心是錄音帶大小的核酸捕獲及原位擴增檢測晶片。
晶片采用全封閉設計，采集到樣本後，核酸捕獲及原位擴增濾膜可從1毫升樣本中捕獲到80%以上的病毒核酸。随後，實驗人員隻需将晶片整齊地插入分子診斷檢控一體機，儀器便可自動進行核酸擴增及分析，直接生成檢測結果，全程不需要人工參與。
靈敏度、檢測速度均大幅提升，可應對各種突變毒株
“對空氣進行檢測，比咽拭子等傳統方式要困難得多。”劉鵬說，由于空氣中的病毒含量遠低于人體内的含量，且新冠病毒為RNA病毒，穩定性較差，加上空氣始終在流動，如果延遲太久，就失去了檢測的意義，“這就要求樣本收集必須高效，檢測必須靈敏”。
劉鵬介紹，氣溶膠核酸檢測系統能實作每毫升20拷貝的靈敏度，而正常方法需要每毫升200拷貝至500拷貝才能檢出，“可以說，檢測靈敏度比現有技術提升了一個數量級”。
研發團隊成員、清華大學醫學院博士後李尚霖也介紹，國外的同類型自動化一體機，靈敏度在60-80拷貝每毫升，“我們1毫升裡面有20個（拷貝）就可以檢測到。從一體機的角度來看，我們的靈敏度是非常高的了。”
“另外我們的檢測時間很短。”李尚霖補充說，“國外純自動化大概需要一個小時，我們隻需要30-40分鐘。”
此外，李尚霖還提到，該檢測系統一次可以檢測8個樣本，而普通的全內建儀器一次隻能檢測一個樣本。可進一步提高效率。
保守計算，每台采集器在現場采集30分鐘，再經過45分鐘的自動化一體檢測，即可得出檢測結論。從采樣開始到将最終結果回報至防疫部門，全程不會超過4小時。
劉鵬介紹，這套系統可以應對包括奧密克戎在内的突變毒株。
“我們檢測時需要設計相應的引物，去擴增病毒某一段的基因，以确定是否存在病毒。而我們設計的引物采用了病毒的保守序列，也即這一段序列病毒不會發生變異，這樣就保證了我們的方法可以檢測各種不同的毒株。”劉鵬說。
但劉鵬也補充道，這種方法隻能确定是否有新冠病毒，想知道到底是哪種毒株，還需要用其他方法。
北京地壇醫院實戰檢驗：病人呼氣即可檢測出病毒
“從去年的4月到8月，我們一直在地壇醫院去做真實的樣本，來測試我們系統的檢測效果。”劉鵬說。
地壇醫院是北京市新冠肺炎醫療救治定點醫院，是迎戰新冠病毒的主戰場。在地壇醫院，團隊采集了病人的鼻咽拭子、唾液、呼出的氣體和病房中的氣溶膠樣本，并将樣本一分為二，同步進行氣溶膠檢測和正常檢測。結果顯示，兩種檢測方式的吻合度很高，且氣溶膠系統的檢出率是現有PCR體系的3倍。
“有的病人用正常方法是檢測不到的，但是我們的方法是可以檢測的。用我們的方法，病人呼出的哈氣凝結形成溶液，裡面也可以檢測到新冠病毒，是以靈敏度是非常高的。臨床小範圍測試證明了我們方法的有效性。”劉鵬說。
在冬奧測試賽完成測試，即将亮相冬奧會
在正式投入使用前，這套氣溶膠核酸檢測系統經過了專家論證，确認通過氣溶膠采集到的病毒在采集管内會被迅速滅活，保證後續檢測過程的安全。
2021年10月到12月，這套系統已經在首都體育館、國家速滑館、冰立方、五棵松冰上中心、國家體育場等5個奧運場館，主媒體中心，西苑飯店、紫玉飯店等2家簽約酒店進行了氣溶膠采樣和檢測工作。測試賽期間共采集和檢測了348例标本，檢測成功率100%。該檢測系統在冬奧測試賽中進行了廣泛的應用和驗證，并針對賽時的防疫條件進行了相應的優化，貼合冬奧比賽場景的要求。
據悉，本項目已被确定為“科技冬奧”所有場館實施的項目之一，冬奧組委會已經下發《北京2022年冬奧會和冬殘奧會期間生物氣溶膠新冠病毒監測及應對方案》，正式推進冬奧期間的氣溶膠檢測。按照計劃，項目組在冬奧會多個場館布置氣溶膠采集器，在昌平實驗室和主媒體中心設定臨時檢測站，為冬奧會提供全面氣溶膠新冠病毒檢測保障。
劉鵬也強調，氣溶膠檢測隻是整個防疫體系的一環，“隻能說是起到預警和補充的作用。”他舉例子說，即使感染新冠病毒，如果正确佩戴口罩，那麼病毒也難以傳輸出來。
劉鵬說，防疫體系包括了日常防控、采樣檢測、環境消殺等一系列監測手段，空氣環境檢測屬于整體防疫體系的一部分。如果在檢測中出現異常，實驗室将會及時與防疫部門溝通并采取一系列後續措施。
劉鵬表示，冬奧是一個非常好的示範應用場景。未來，對新冠病毒監測必然是長期的過程，他期待這套系統今後能在醫院、車站、機場等人流密集的場所落地，及時發現疫情線索。
【策劃】黃燦 陳志
【統籌】胡念飛 劉江濤
【記者】王詩堃 劉長欣 實習生 席聰聰
【視訊拍攝】劉長欣
【剪輯】實習生 陳闫龍雨
【作者】 王詩堃；劉長欣
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